Квантовый микроскоп на связи с атомами

Квантовый микроскоп с «иглой» (tip) сканирующего туннельного микроскопа STM (сверху), эмиттером и коллектором внизу. Иллюстрация Physorg

Альберт Эйнштейн весьма пренебрежительно отзывался об игре ума отцов-основателей квантовой физики, хотя свою Нобелевскую премию получил за математическое описание эффекта, лежащего в основе работы фотоэлементов. Для периода творческих поисков ученых между двумя мировыми войнами, давшего миру по обе стороны океана атомные бомбы, было характерно выдвижение «неприемлемых» с точки зрения классической физики идей, являвшихся поначалу лишь игрой ума. Несколько примеров.

Квантовые скачки, предложенные Нильсом Бором. Следствием этих скачков является испускание фотонов. Сами фотоны Джеймс Максвелл задолго до Бора определил как единство распространения электрического и магнитного полей.

Это и волновая функция, определяемая как вероятностный вектор состояния (или амплитуда вероятности).

Развитие этих идей уже в наши дни привело к их воплощению в виде квантовых точек, пребывающих в создаваемых для них полостях (в них, кстати, путем накопления-амплификации генерируется лазерный луч), а также кубитов, или битов квантовой информации. Они могут быть связаны друг с другом на расстоянии. Этот эффект связанности получил название «энтенглмент», его предложил Эрвин Шрёдингер. И этот энтенглмент особенно раздражал Эйнштейна.

Примерно в то же время инженеры и электродинамики занимались пропусканием электрических зарядов сквозь газы, что привело к созданию люминесцентных ламп. Зачинателем работ в этом направлении был Уильям Крукс, придумавший вакуумную трубку с отклонением катодного луча, то есть потока электронов. За океаном был изобретен триод, или вакуумная лампа с тремя электродами – двумя уже привычными катодом и анодом, между которыми была управляющая металлическая сетка.

Через 40 лет «схему» там же за океаном воплотили в кремниевый транзистор. Триод позволил усиливать и управлять током, что очень важно при передаче волн, длина которых намного больше световых (измеряемая миллиметрами и метрами).

В течение трех военных лет Нобелевские премии не присуждали, и лишь в 1943-м ее дали американцу Отто Штерну, придумавшему, как материализовать фотоны. На следующий год Нобелевскую премию присудили американцу Исидору Раби, который сделал большой вклад в изучение протонов и дейтронов, то есть ядер водорода и дейтерия. Гораздо менее известно, что американец приложил руку и к разработке радаров, для борьбы с которыми немцы были вынуждены «развешивать» над городами шредер алюминиевой фольги, что создавало помехи при отражении радиосигналов.

Сегодня радарами оснащаются чуть ли не самокаты, не говоря уже об авто. Но есть вспышки на Солнце, приводящие к магнитным бурям, извержения вулканов и грозовые фронты, заставляющие пилотов воздушных лайнеров отклоняться от проложенного курса. Поэтому оправдан интерес к сообщению Высшего технического училища в Лионе, где был создан первый квантовый радар, точность работы которого на 20% превысила таковую ныне существующих классических.

Три года назад в Лионе была создана сверхпроводящая квантовая цепь, которая может генерировать энтенглмент своих элементов и манипулировать их квантовыми состояниями, а также накапливать фотоны микроволнового излучения. Демонстрация радара на ее основе при температуре 10 милликельвинов показала наличие квантового преимущества – quantum advantage – в 20% по сравнению с эксплуатируемыми сегодня.

Принцип многократного накопления давно используется при локации удаленных объектов в космосе, и именно благодаря ему Дж. Белл открыла в 1967 году первый радиопульсар. Лионцам помогла также связь излучателя-эмиттера микроволновых фотонов с неактивным элементом их схемы – резонатором. Он подстегивает корреляцию между двумя режимами работы – излучения и приема. Квантовый радар благодаря этому сумел выделить полезный сигнал на фоне различных шумов, обеспечив то самое 20-процентное преимущество. Подобно квантовому микроскопу, схема воспроизводит «компоновку» предложенного в 1948 году аналога триода, то есть полупроводникового транзистора.

Интересное устройство создано в Университете Сиднея. Там использовали подвижный стилус (tip) сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Особенностью СТМ является то, что при пропускании через него соответствующего тока к стилусу может прилипнуть атом, например, фосфора. И этот атом можно перенести на другое место с атомной, пикометровой (10–12 м) точностью. При этом фосфор служит вводимым в кремний допингом, что позволяет контролировать квантовые состояния моноатомных кубитов. Неподвижными в схеме микроскопа являются эмиттер (S – source) и вентиль (gate). Стилус в СТМ впервые исполняет роль подвижного коллектора (D – drain).

Устройство чрезвычайно упрощает сбор информации о состояниях не одного, а многих кубитов и картирования их волновых функций. Авторы считают, что физика процесса требует дальнейшего углубленного изучения, для чего необходимы устойчивые температуры ниже 100 мК и устойчивые однородные магнитные поля. Это позволит создавать и измерять коррелирующие друг с другом состояния материи. Как следствие – появляется возможность моделировать квантовые процессы на классических компьютерах и создавать новые платформы с использованием «холодных» (cold) атомов. n